[화공기초실험]고체와 액체의 평형 : 상평형 그림(Phase diagram) 2부

실험 결과

1. 순수한 나프탈렌

1) 냉각 곡선 데이터

시간(초)	온도(℃)	시간(초)	온도(℃)	시간(초)	온도(℃)	시간(초)	온도(℃)
0	91.0
30	89.0	630	63.2	1230	48.8	1830	35.8
60	86.0	660	62.5	1260	48.0	1860	35.0
90	83.2	690	61.8	1290	47.0	1890	34.8
120	80.3	720	61.0	1320	47.5	1920	34.2
150	78.0	750	60.2	1350	46.0	1950	34.0
180	76.0	780	59.8	1380	45.0	1980	33.8
210	74.8	810	59.0	1410	44.2	2010	33.1
240	73.8	840	58.0	1440	43.8	2040	33.0
270	75.0	870	57.5	1470	43.0	2070	32.8
300	73.9	900	56.9	1500	42.2	2100	32.2
330	72.8	930	55.2	1530	41.9	2130	32.0
360	71.5	960	54.0	1560	41.0	2160	31.9
390	70.5	990	53.5	1590	40.8	2190	31.8
420	69.5	1020	53.0	1620	40.0	2220	31.3
450	68.7	1050	52.7	1650	39.5	2250	31.1
480	67.5	1080	52.0	1680	39.0	2280	31.0
510	66.7	1110	51.2	1710	38.8	2310	30.9
540	65.8	1140	50.4	1740	38.0	2340	30.8
570	64.8	1170	50.0	1770	37.1	2370	30.2
600	64.0	1200	49.1	1800	36.2	2400	30.0

 

2) 데이터를 plot하고 어는 점을 구한다.

 

2. 나프탈렌-디페닐아민 혼합액

1) 냉각 곡선 데이터

	시료1	시료2	시료3		시료1	시료2	시료3
시간(초)	온도(℃)	온도(℃)	온도(℃)	시간(초)	온도(℃)	온도(℃)	온도(℃)
0	90.0	90.0	73.0	1350	43.0	37.2	31.1
30	86.0	88.0	71.2	1380	42.2	37.0	31
60	82.0	86.0	69.0	1410	41.8	36.7	30.7
90	78.0	83.0	66.8	1440	41.0	36.2	30.2
120	74.0	79.5	64.8	1470	40.8	36.0	30
150	71.0	76.0	63.0	1500	40.0	35.5
180	68.0	73.0	61.0	1530	39.6	35.1
210	65.0	70.0	59.8	1560	39.0	35.0
240	62.0	67.0	58.0	1590	38.8	35.0
270	60.0	64.8	56.3	1620	38.2	34.9
300	57.0	62.8	54.1	1650	37.8	34.5
330	55.0	60.5	52.9	1680	37.5	34.0
360	54.0	58.0	51.2	1710	37.0	33.7
390	52.0	57.0	50.1	1740	36.5	33.4
420	50.0	55.0	49.0	1770	36.0	33.0
450	49.0	54.0	48.0	1800	35.8	32.9
480	55.0	51.0	47.0	1830	35.4	32.5
510	58.0	50.0	46.0	1860	35.0	32.4
540	58.0	48.0	45.0	1890	34.9	32.0
570	58.0	47.0	43.9	1920	34.5	31.9
600	57.0	46.5	43.1	1950	34.2	31.8
630	57.0	45.0	42.3	1980	34.0	31.7
660	56.5	44.0	42.0	2010	33.8	31.5
690	56.0	43.5	41.0	2040	33.3	31.3
720	55.8	42.5	40.1	2070	33.1	31.1
750	55.0	43.0	39.8	2100	33.0	31.0
780	54.5	43.5	39.0	2130	32.8	30.7
810	54.0	43.6	38.4	2160	32.6	30.5
840	53.5	43.0	38.0	2190	32.3	30.1
870	53.0	42.5	37.2	2220	32.1	30.0
900	52.0	42.0	37.0	2250	32.0
930	51.8	42.0	36.1	2280	31.9
960	51.0	41.5	36.0	2310	31.6
990	50.1	41.0	35.1	2340	31.4
1020	49.5	41.0	35.0	2370	31.3
1050	49.0	40.0	34.3	2400	31.1
1080	48.2	40.0	34.0	2430	31.0
1110	48.0	39.9	33.9	2460	30.9
1140	47.8	39.5	33.5	2490	30.8
1170	47.5	39.0	33.0	2520	30.6
1200	46.0	38.8	32.8	2550	30.4
1230	45.0	38.5	32.0	2580	30.2
1260	44.7	38.0	31.8	2610	30.1
1290	44.0	37.5	31.6	2640	30.0
1320	43.2	37.4	31.3

 

2) 각 데이터를 plot하고 T℃ 및 T'℃를 구한다.

시료1의 무게 측정

나프탈렌의 무게 -- 7g

디페닐아민의 무게 -- 3g

나프탈렌의 무게 퍼센트 -- 70%

 

T : 약 58℃, T': 약 45℃

 

시료2의 무게 측정

나프탈렌의 무게 -- 5g

디페닐아민의 무게 -- 5g

나프탈렌의 무게 퍼센트 -- 50%

T : 약 42℃, T': 약 36℃

 

시료3의 무게 측정

나프탈렌의 무게 -- 3g

디페닐아민의 무게 -- 7g

나프탈렌의 무게 퍼센트 -- 30%

 

T : 약 36℃, T': 약 31℃

토의 사항

1. 실험 고찰

이 실험에 많은 애로사항이 있었다. 우선 나프탈렌을 물중탕으로 녹인 후 꺼내어 물기를 제거하고 시간당 온도를 체크할 때 시험관을 막아놓은 고무마개 때문에 온도 확인에 어려움이 있었다. 그래서 고무마개를 최대한 얇게 해서 온도 확인으로 인한 오차를 최대한 줄이기 위해 노력했다. 그리고 실험방법에 나와있는 젖개 또한 고무마개에 철사줄이 들어가지 않아서 설치하지 못했다. 충분히 젖지 못해서 약간의 오차가 발생했을 가능성이 있다.

순수한 나프탈렌의 실재 어는점은 81℃이다. 하지만 실험에서 약간의 굴곡이 75℃ 근처에서 보여지고 있다. 이것으로 나프탈렌 10g 제조시에 불순물이 섞였을 가능성도 있다. 무엇보다 잘못된 점은 순수한 나프탈렌의 그래프는 나프탈렌이 고체화 되는 동안 같은 온도를 유지해야 하나, 그래프에서 볼 수 있듯이 온도의 거의 일정하게 계속 떨어짐을 관찰 할 수 있다. 이 큰 오류는 온도계의 위치가 잘 못되었을 것으로 추정된다. 온도계가 나프탈렌의 표면에만 살짝 걸쳐져 있어서 제대로 측정되지 않은 듯하다.

 

 

2. 연구과제

1) 여러 종류의 고체-액체 상평형 system의 phase diagram과 그 형태를 문헌에서 조사하라.

① 그림 1에 1.00atm에서 은과 구리의 고체-액체 온도-조성 상평그림을 도시하였다.

779℃ 의 맺음선은 평형을 이룰 수 있는 두 고체상과 한 액체상을 나타내는 상태점들을 연결한 것이다. 이들 2상 고체혼합물은 일반적으로 한 상의 매우 작은 알맹이가 다른 상에 묻힌 형태를 가지므로 현미경으로 관찰하지 않는 한 마치 거의 단일상을 이룬 것처럼 보인다.

그림 1 은과 구리의 고체-액체 온도-조성 상평형 그림.

그림 1과 같은 고체-액체 상평형그림을 그리려면 조성을 알고 있는 혼합물을 녹는점 이상으로 가열한 후 이를 천천히 냉각시키면서 이때의 변화를 분석하여 구한다. 그림 2에 구리의 몰분율을 달리하여 이같은 혼합물의 온도를 시간의 함수로 나타낸 냉각곡선을 도시하였다.

그림 2 Ag-Cu계의 냉각 곡선.

각 곡선에서 처음 꺽이는 온도는 고체상이 처음 석출되는 온도를 나타낸다.

 

② 그림 3에 1atm에서 파라-크실렌과 브로모벤젠의 고체-액체 온도 조성 상평형 그림을 도시하였다. 고체는 서로 거의 완전히 녹지 않으므로 고체 용해도 영역이 너무 작아서 그림에 나타날 수 없으며 석출되는 고체는 본질적으로 순수한 물질이다.

그림 3 p-크실렌과 브로모 벤젠의 고체-액체 온도-조성 상평형 그림.

이상성으로 부터의 양의 편차가 너무 커서 감지할만한 고체-용해도가 없다.

 

2) 어는 점 내림에 의해 용매에 소량 녹인 용질의 분자량을 결정하는 방법

용액의 온도를 계속해서 낮추어 주면 마침내 어느 한 온도에 이르러서 결정이 석출되기 시작하는데, 이 온도를 용액의 어는점이라고 한다. 용액에 따라서는 이때 고체용액, 즉 용질과 용매와의 균일한 고체혼합물이 석출되는 경우도 있으나 대부분의 경우에는 순수한 용매의 고체만이 석출된다. 순수한 용매만이 석출되는 경우, 용액의 어는점 순수한 용액의 어는점보다 낮으며, 이 두 온도차를 용액의 어는점내림이라고 부른다. 묽은 용액에서는 용액의 어는점내림이 용액속에 들어있는 용질의 분자수에만 비례하며 용질분자와 화학적 조성에는 관계되지 않는다. 따라서 용액속에 들어있는 용질의 분자수를 몰랄농도 m으로 표시하면 용액의 어는점내림 ∆Tf는 다음과 같이 주어진다.

∆Tf = Tf˚ - Tf = kfm ·····식(1)

여기서 Tf˚와 Tf는 각각 용매와 용액의 어는점이며, kf는 용질의 성질에는 용매의 특성만을 나타내는 상수로서 몰랄 어는점내림상수라고 부른다. 이 상수는 1몰랄농도의 이상 용액이 나타내는 어는점내림과 같다.

주어진 양의 용매에 일정량의 용질을 녹인 다음 그 용액의 ∆Tf를 측정하면 용질의 분자량을 구할 수 있다. 지금 W1g의 용매에다 분자량을 측정코자 하는 물질 W2g을 녹였다고 하자. 그러면 이 용액의 몰랄농도는 다음과 같이 된다.

m = W2/MW1×1000 ·····식(2)

여기서 M은 측정코자 하는 용질의 분자량이다. 이 식을 식 (1)에 넣어주면 다음과 같은 관계가 얻어진다.

M = kf/∆Tf × W2/W1 × 1000 ·····식(3)

용질이 용매 안에서 회합하거나 화학변화를 일으킬 때는 식 (3)이 그대로 적용되지 않는다. 어는점내림과 같이 용질의 성질에는 관계없이 그 농도에 의해서만 결정되는 성질을 총괄적 성질이라고 한다. 용액의 총괄적 성질에는 이 이외도 끓는점오름, 증기압내림, 삼투압이 있으며, 이들 중 어느 것을 이용하더라도 용질의 분자량을 구할 수 있다.

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